电磁兼容性基础知识及其实现接地(连载5)_弱电基础知识接地
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电磁兼容性基础知识及其实现-接地(连载5)
3.1屏蔽的理论方法
3.1.1电缆选择原则
选择导线电缆，是根据传输信号电平或功率电平，频率范围，敏感情况，隔离要求确定，只有分析信号电平与波形，才能正确规定选用导线电缆。
一般原则如下： ·电源线，如此等380伏交流，220伏交流，27伏直流，一般不用屏蔽电缆，但电源线干扰大时例外。·低频信号线，隔离要求很严格的多点接地和单点接地线路，用屏蔽双绞线。
·单点接地的音频线路和内部电源线，用双绞线。
·在重要发射射频脉冲、高频、宽频带内阻抗匹配等处，用同轴线。
·数字电路，脉冲电路，用绞合屏蔽电缆，有时需要单独屏蔽。
·高电平电源线，用镀锌钢管屏蔽。
·多点接地的音频或电源线，需要用屏蔽线。
·对低频仪表，可用单芯、单屏蔽导线。当传输中等信号电平并有良好接地系统时，效果比较好。
3.1.2屏蔽的理论方法
电磁波理是经典的理论。麦克斯威尔、法拉第和其它人在电子学之前就建立了描述电场和磁场的基本方程式。
然而，对实际中的复杂硬件几乎不能直接应用这些方程式。电场和磁场的衰减用从试验中得到的方程式能够更好的表达，这些方程式在屏蔽的设计中广泛应用。有许多因素会影响电磁能量源周围的场。
源的种类赋予了场一些特征，如辐射幅度。距离源的距离和电磁波传输的媒介的特性都会影响场与屏蔽之间的相互作用。
在电磁屏蔽中，波阻抗Zw是联系这些参数的有用的概念。波阻抗定义为电场E与磁场H的比值。
源上的驱动电压决定了干扰的特性。例如，环天线中流动的电流与较低的驱动电压对应。结果是在天线附近产生较小的电场和较大的磁场，具有较低的波阻抗。
另一方面，四分之一波长的距离上，所有源的波的阻抗趋近于自由空间的特征阻抗，377欧姆。这时，称为平面波，作为参考，1MHz的波长是300m。
按照到源的距离，电磁波可以进一步分为两种，近场和远场。两种场的分界以波长λ除以2π的距离为分界点。λ/2π附近的区域称为过渡区。源与过渡区是近场，超过这点为远场。近场波的特性主要由源特性决定，而远场波的特性由传播媒介决定。如果源是大电流、低电压。则在的近场以磁场波为主。高电压、小电流的源产生电场为主的波。
在设计屏蔽控制辐射时，这个概念十分有用。由于这时屏蔽壳与源之间的距离通常在厘米数量级，相对于屏蔽电磁波为近场的情况。在远场，电场和磁场都变为平面波，即，波阻抗等于自由空间的特性阻抗。
知道干扰辐射的近场波阻抗对于设计控制方法是十分有用的。用能将磁通分流的高导磁率铁磁性材料可以屏蔽200KHz以下的低阻抗波。反过来，用能将电磁波中电矢量短路的高导电性金属能够屏蔽电场波和平面波。入射波的波阻抗与屏蔽体的表面阻抗相差越大，屏蔽体反射的能量越多。因此，一块高导电率的薄铜片对低阻抗波的作用很小。屏蔽效能SE等于吸收因子A加上反射因子R，加上多次返射修正因子B，所有因子都以dB表示。SE=A+R+B 表3.1和表3.2给出了不同的屏蔽效能，吸收损耗的计算公式如下：
对于任何电磁干扰，屏蔽作用由三种机理构成。入射波的一部分在屏蔽体的前表面反射，另一部分被吸收，还有一部分在后表面反射.表3.1信号强度的衰减 表3.2屏蔽衰减极限值 dB 衰减的百分比 10 90 20 99 30 99.9 40 99.99 50 99.999 60 99.9999 70 99.99999 dB 评价 0～10 屏蔽很少 10～30 有意义的屏蔽的下限 30～60 平均屏蔽量 60～90 屏蔽较好 90～120 屏蔽很好 120以上 现有技术的极限
表3.3给出了一些常用屏蔽材料的相对导电率和导磁率。如果吸收因子6dB以上，多次反射因子B可以忽略，仅当屏蔽层很薄或频率低于20KHz时，B才是重要的。在设计磁屏蔽时，特别是14KHz以下时，除了吸收损耗外，其它因素都可以忽略。同样，在设计电场或平面波屏蔽时，只考虑反射因子。当一束电磁波碰到屏蔽体时，在表面上感应出电流。屏蔽的一个作用是将这些电流在最小扰动的情况下送到大地，如果在电流的路径上有开口，电流受到扰动要绕过开口。较长的电流路径带来附加阻抗，因此在开口上有电压降。这个电压在开口上感应出电场并产生辐射。当开口的长度达到λ/4时，就变成效率很高的辐射体，能够将整个屏蔽体接收到的能量通过开口发射出去。为了限制开口效应，一个一般的规则是，如果屏蔽体的屏蔽效能要达到60dB，开口长度在感兴趣的最高频率处不能超过0.01λ。每隔一定间隔接触的复合或用指形簧片连接的缝隙可以作为一系列开口来处理。值得指出的是，材料本身的屏蔽特性并不是十分重要的，相比之下缝隙开口等屏蔽不连续性是更应该注意的因素。表3.3用于屏蔽的金属特性 金属 相对收导率σr 相对磁导率μr 银 1.05 1 铜 1.00 1 铝 0.61 1 锌 0.29 1 黄铜 0.26 1 镍 0.20 1 铁 0.17 1000 铜 0.10 1000 化学镀镍 0.02 1
·最少保证２４小时的粘接时间。铆钉安装 铆钉安装可以提供紧固长久的接触，塑料铆钉或铜铆钉都可以使用。点焊 安装需要采用基本点焊方式。焊接 需要标准的低温焊接技术完成，焊接剂通常为洁净的液态非酸性物质。金属丝网缠带 连载３曾经介绍过编织金属丝网衬垫。对于金属网缠带。它是由一根单一的连续金属丝编制而成的。这种形状不会因温度的变化而改变。缠带的末端可以焊接，压接或用环氧导电胶粘接。将丝网缠带以半重叠的方式绕制在电缆上时，它可能为电缆提供一层有效的屏蔽层。金属丝网缠带通常为双层网状，如有特殊需要，也可以生产成四层甚至更多层数。较宽的丝网缠带还可以用于建造法拉第笼使用。通常此种衬垫是用蒙乃尔合金丝、镀锡铜丝、不锈钢丝、铜丝、镀银铜丝、铝丝或锡铜合金丝编制而成的。螺旋管衬垫 另外一种在美国较受欢迎的衬垫是使用合金材料，通常是铍青铜或者不锈钢带绕制成具有弹性，导电性和较低成本的螺旋管衬垫。屏蔽性能 这种衬垫可以提供极佳的屏蔽性能，它具有较低的接触阻抗，它边缘的镀层可以为衬垫提供优良的防腐蚀性能，适量的压缩可以保证设备终生的优良接触。这种衬垫的屏蔽效果一般在８０dＢ以上。地于环境密封性要求更高的场合，可以使用由天然硅橡胶条和金属螺旋管衬垫结合在一起的复合型衬垫，如下图所示。在美国另外一种较受欢迎的衬垫是在有弹性的泡沫芯材上涂覆金属化的物质。它有弹性的外涂覆层可以提供比丝网衬垫多６０％－７０％，比指型簧片多４０％的接触面，以便 /> 螺旋管衬垫——Ｄ型多重密封衬垫可同时提供ＲＦＩ／ＥＭＩ防护和环境密封金属化的弹性衬垫
保证在两个有细微不规则的金属交配面间提供良好的接触。有效的环境密封性能有时也可以通过特殊泡沫内芯提供。它多维的细胞结构滑入空隙和空格，柔软的泡沫使得机箱的门更加易于开关和锁紧。屏蔽性能 对于这种材料从３０ＭＨｚ到１ＧＨｚ可以达到平均６０dB的衰减。安装磁屏蔽胶带 对于小器件或者屏蔽要求不严格的场合可以用薄胶带卷起来达到屏蔽的效果，很难确定需要绕多少圈。因为磁导率的下降与被屏蔽物体的形状有关，通常要绕数圈，这相当于多层屏蔽。因此最后的方法是边绕边进行实际的测试，这种方法很容易进行修改，但很难获得比较好的屏蔽效果。
机壳上的出入口问题，使用以前讨论过的技术和材料，不难使一个机壳在从直流直到可见光电磁波频率范围内提供１１０dＢ的屏蔽效能。当然，除了低频磁场屏蔽，但在实际中不可能获得理论上的屏蔽效果，因为机壳所必须的出入口和穿透孔破坏了机壳的完整性，使屏蔽效能降低，如下图所示：
一些破坏机壳完整性的因素 加载硅树脂填料。另一方法是指形物支撑，采用铜铍合金指形支撑物应小心使用，那么就不太容易损坏。一般来讲，最好的方法是采用编织导线网或加有金属微粒的硅树脂填料 第３章讨论了在屏蔽门上用适当的填料的实践，第９章讨论了屏蔽室的门结构。但是，除了门以外，在屏蔽的设计中需要考虑以下的一些或全部因素：
·盖板；
·通用孔；
·测量仪表的指示窗；
·显示窗；
·电位器轴；
·指示灯；
·保险丝；
·开关； ·电源线和信号线连接器。控制轴 使用金属控制轴的地方，如电位器，控制轴要穿透屏蔽外壳。因此，它们应通过填充导电填料来密封，通常使用编织金属网，控制轴应穿过填充的金属绝缘管。典型的结构如图６.８所示，其中绝缘管与机壳面板电气相连。
作者: 王清洲 日期: 2001-7-19
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